PERANCANGAN MODULAR JIG AND FIXTURE UNTUK

MESIN MINI CNC ROUTER 3 AXIS

Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada

Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik

Oleh :

DARU CHUSNU UTAMA PUTRA AZIS

D600150109

PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2019

1

HALAMAN PENGESAHAN

PERANCANGAN MODULAR JIG AND FIXTURE UNTUK MESIN MINI

CNC ROUTER 3 AXIS

Telah Dipertahankan pada Sidang Pendadaran Tugas Akhir

Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Dihadapan Dewan Penguji

Hari/Tanggal :

Jam :

Menyetujui :

Nama Tanda Tangan

1. Ratnanto Fitriadi, S.T., M.T. _________________

(Ketua Penguji)

2. Munajat Tri Nugroho, S.T., M.T., Ph.D _________________

(Anggota Penguji)

3. Ir. Much Djunaidi, S.T., M.T. _________________

(Anggota Penguji)

Menyetujui :

Dekan Fakultas Teknik Ketua Jurusan Teknik Industri

1

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa Naskah Publikasi yang telah dikerjakan

ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar

kesarjanaan pada suatu perguruan tinggi, dan selama sepanjang sepengetahuan

saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan

oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan

disebutkan dalam daftar pustaka.

Apabila kelak terbukti ada ketidakbenaran dalam penyataan saya diatas,

maka akan saya pertanggungjawabkan sepenuhnya.

Surakarta, 2019

Penulis

Daru Chusnu Utama Putra Azis

D600150109

1

PERANCANGAN MODULAR JIG AND FIXTURE UNTUK MESIN MINI

CNC ROUTER 3 AXIS

Abstrak

Jig dan fixture adalah alat bantu yang berfungsi memegang benda kerja agar

didapatkan hasil produksi yang akurat dan uniform. Dalam perancangan jig dan

fixture harus dirancang secara spesifik agar dapat menyangga serta

mempertahankan posisi benda kerja pada saat proses pencekaman dan

pemesinan. Jig dan fixture dilengkapi dengan manual ataupun petunjuk yang jelas

dengan tujuan agar hasil dari proses pemesinan sesuai dengan harapan dan

planning, dapat digunakan pada karyawan yang belum berpengalaman, serta

meminimalisir error pada saat alat bantu tersebut digunakan (Hoffman, 1996).

Dalam pengerjaan benda kerja di laboratorium otomasi teknik industri universitas

muhammadiyah Surakarta, mesin cnc yang digunakan adalah mesin mini CNC.

Dalam pengerjaanya mesin tersebut belum memiliki alat bantu yang mumpuni

untuk mengerjakan benda kerja, sehingga hasil dari pengerjaan tersebut bisa

terbilang kurang presisi dan teliti. Selain itu faktor lain yang mempengaruhi

minimnya alat bantu adalah harganya yang terbilang mahal karena untuk

membuat sebuah alat yang bersifat modular memerlukan biaya yang tergolong

besar dan kapasitas yang dibutuhkan bukan berskala industri. Kebutuhan jig and

fixture yang dibutuhkan juga harus bisa fleksibel atau dapat digunakan dengan

cara mudah dan plug and use sehingga dapat meminimalkan waktu setup, loading

maupun unloading.

Kata Kunci: Alat Bantu Permesinan, Modular jig and fixture, Mesin mini CNC.

Abstract

Jig and fixture are production tools that are used to hold the workpiece so that the

result are precise and uniform. In the design process of jig and fixture must

designed in specific way to support and maintain the position of the workpiece

during machining process. Jig and fixture must be equipped with clear manual

procedure with the aim that the output of the machining process is as planned, can

be used by inexperienced operators, and minimize error in these tools (Hoffman,

1996). In the workpiece processing in industrial engineering automation

laboratory of the Muhammadiyah University of Surakarta, mini cnc machine is

used. In the process, the machine does not yet have a qualified tools to processing

the workpiece, so the output can be considered less precise and accurate. In

adition, other factors that influence the lack of qualified tools are relatively

expensive because in order to make a modular device requires relatively large cost

and the required capacity is not industrial scale. Requirement for jig and fixture

also must be flexible or can be used easily, plug and use so can minimize setup,

loading and unloading time.

Keywords: Machining tools, Modular jig and fixture, Mini CNC machine.

1. PENDAHULUAN

Dalam pengerjaan benda kerja pada laboratorium otomasi teknik industri

universitas muhammadiyah Surakarta, mesin mini cnc yang digunakan adalah

mesin mini CNC. Selain itu faktor lain yang mempengaruhi minimnya alat

bantu adalah harganya yang terbilang mahal karena untuk membuat sebuah alat

yang bersifat modular memerlukan biaya yang tergolong besar dan kapasitas

yang dibutuhkan bukan berskala industri yang membutuhkan kuantitas dan

kualitas. Kebutuhan jig and fixture yang dibutuhkan juga harus bisa fleksibel

atau dapat digunakan dengan cara mudah dan plug and use sehingga dapat

meminimalkan waktu setup.

Penelitian ini bertujuan untuk membuat Modular Jig and Fixture pada

mesin Mini Router CNC yang memenuhi aspek fungsi dan teknis. Sehingga

dapat digunakan di berbagai macam kegiatan seperti Perancangan teknik

industri, Otomasi maupun proses manufaktur, sehingga selain dapat digunakan

untuk sarana pembuatan alat secara individu dapat juga digunakan untuk

sarana edukasi di lingkungan laboratorium otomasi teknik industri universitas

Muhammadiyah Surakarta.

2. METODE

2.1 Modular Fixture

Biaya fixturing dalam penggunaan dedicated fixture mencapai 20% dari

biaya pembelian dari flexible manufacturing System (FMS) (Bidanda dan

Muralikrishnan, 1992). Biaya dedicated fixture yang tinggi pada FMS juga

disebutkan oleh Nee (1995). Bidanda dan Muralikrishnan (1992)

menyatakan bahwa penggunaan Modular fixture bisa mengurangi biaya

proses fixturing sampai 80% dan waktu Assembly dari fixture lima kali

lebih efisien. Waktu perancangan serta perakitan dari Modular fixture yang

efisien juga dijelaskan oleh Siong et al. (1992). Salah satu jenis fixture yang

Modular adalah modular fixture yang memiliki sistem slot ataupun sistem

hole (Nee, et al., 1995). Fungsi fixture yaitu melakukan penahanan gaya

pada saat benda kerja dilakukan proses penempatan, pencekaman dan

permesinan selama proses produksi dapat dikatakan terpenuhi apabila

1

fixture dapat menahan pergerakan benda kerja pada aturan dua belas arah

derajat kebebasan serta jumlah gaya yang terjadi dalam seluruh proses sama

dengan nol. Gambar 1. menunjukkan dua belas derajat kebebasan benda

dalam ruang.

Gambar 1. (a) Dua belas derajat kebebasan arah gaya (b) Penempatan

lokator 3-2-1

2.3 Kriteria Von Mises

Tegangan Von Mises adalah tegangan yang menyebabkan terjadinya

kegagalan pada material apabila material mendapatkan tegangan triaksial

yang menghasilkan energi regangan. Kegagalan terjadi ketika besar energi

regangan dari tegangan triaksial sama dengan energi regangan dari uji tarik

standar material ketika mulai terjadi luluh (Bhandari, 1994: 93). Analisis

yang dilakukan adalah mencari besar tegangan von mises maksimal pada

masing-masing desain model pegas daun untuk kemudian dibandingkan dan

dibahas. Kriteria luluh Von mises menyatakan bahwa peluluhan akan terjadi

ketika nilai tegangan geser mencapai nilai kritis (Agus Dwi Anggono ;

2018):

2.4 Benchmarking

Benchmarking adalah perbandingan secara sistematis dari suatu proses dan

performa pada suatu best practice (Camp, 1989). Benchmarking adalah sebuah

parameter yang relative dari entitas produksi dalam mengubah sebuah sumber

daya menjadi sebuah output atau hasil (Bogetoft et al, 2011).

2.3 Formulasi Analitik

Dalam proses pencekaman sebuah Modular jig and fixture harus mampu

memenuhi keakuratan ,tidak mengakibatkan deformasi benda kerja, serta

1

dapat mencegah gesekan antara fixture dan mata pahat, juga memungkinkan

clamp tambahan untuk mengeliminasi vibrasi pada saat proses permesinan

(Chou, dkk: 1989). Dalam menentukan jumlah gaya pencekaman gaya

pemesinan kritis digunakan. Untuk menentukan gaya pencekaman,

formulasi digunakan sebagai berikut:

Fc =61565,6576 𝑥 𝑓𝑚 𝑥 𝐷

𝑆𝑆

Hubungan gaya pencekaman, gaya peletakan, dan gaya pemesinan :

[WpWa][𝐹𝑝𝐹𝑎]𝑇 + [fkwk] = 0 (1)

Atau,

WpFp + WaFa +fkwk = 0 (2)

Matriks Wp, Wa, dan wk pada arah gaya serta momen gaya yang spesifik

,terdiri dari tiga arah gaya sumbu pada x, y, dan z dan tiga buah momen

terhadap sumbu pada x, y, dan z.

Sehingga gaya reaksi pada lokator Fp dapat dihitung sebagai berikut:

Fp = -𝑊𝑝−1WaFa - 𝑊𝑝−1fkwk (3)

invers dari matriks Wp dinyatakan dalam:

Wp = [𝐴 𝑂𝑇 𝐵

] (4)

𝑊𝑝−1= [ 𝐴−1 𝑂−𝐵−1𝑇. 𝐴−1 𝐵−1

] (5)

Formulasi analitik pada tahap penempatan, pencekaman, dan pemesinan

adalah :

1) Tahap Penempatan

Gaya yang terjadi pada benda kerja merupakan gaya penempatan

berlawanan dengan arah gaya lokator. Persamaan dari gaya penempatan :

Fp = -𝑊𝑝−1x wl x fl

2) Tahap Pencekaman

Gaya penempatan sudah tidak bekerja sementara gaya pencekaman belum

bekerja, sehingga persamaannya adalah sebagai berikut:

Fp = -𝑊𝑝−1x wa x fa

3) Tahap Pemesinan

1

Dilakukan pengujian pada setiap unit lokator guna mengetahui adanya

sentuhan antara benda kerja dengan lokator pada saat proses pemesinan.

Gaya potong serta gaya pencekaman bekerja di benda kerja:

Fp = -𝑊𝑝−1x wg x fg

Apabila Fp adalah positif maka terjadi kontak/sentuhan antara lokator

dengan benda kerja, serta ada gaya yang menekan benda kerja pada saat

proses permesinan.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Proses Perancangan Modular Jig and Fixture

Peracanangan Modular and Jig Fixture dilakukan dengan melakukan

Benchmarking pada produk lain yang tersedia di pasaran, lalu dilakukan

improvisasi dan modifikasi alat alat tersebut sehingga secara aspek fungsi dan

teknis dapat memenuhi kebutuhan, Aspek fungsi meliputi penggunaan dapat

dilakukan pada kondisi kerja flat dan angled, aspek teknis meliputi

kemampuan alat bantu yang dapat digunakan secara Modular dan dapat

digunakan dengan mudah dan menyesuaikan.

Berdasarkan data benchmarking yang telah dilakukan untuk komponen Set Jig

and Fixture, Locator and Supporting, Toogle Clamp dan F-clamp. Dilakukan

sebuah analisa guna menentukan gambaran awal untuk membuat rancangan

alat bantu Modular Jig and Fixture yang sesuai dengan aspek fungsi dan aspek

teknis.

Setelah tahap Benchmarking dilakukan, tahap selanjutnya yaitu tahap

perancangan alat. Tahap perancangan alat dilakukan menggunakan aplikasi

Solidworks. Tahap perancangan diklasifikasikan menjadi 4 macam meliputi :

Rancangan Toogle Clamp, Racangan F-clamp dan Rancangan Locator dan

Supporting. Sebelum melakukan perancangan diperlukan spesifikasi mesin

tersebut agar ukuran dari rancangan alat dapat menyesuaikan bentuk dari

mesin.

Berikut ini adalah rancangan akhir dari Modular Jig and Fixture yang

akan diimplementasikan pada mesin Mini CNC Router. Pada rancangan

dibawah ini benda dikerjakan dalam keadaan miring dengan sudut pengerjaan

1

20 derajat. Total benda memiliki 8 komponen meliputi 2 unit lokator, 1 unit

Toogle Clamp, 1 unit dudukan Toogle Clamp, 1 unit Support, 1 unit Rail, 1

unit F-Clamp, 1 unit Basepin.

Gambar 2. Rancangan Modular Jig and Fixture

3.2 Perhitungan Perancangan Alat Bantu

Pada pengujian perancangan alat bantu ini alat diuji menggunakan

perhitungan dengan aplikasi Microsoft Excel untuk untuk menentukan gaya

penempatan, pencekaman dan permesinan. Sebelum melakukan perhitungan

ditentukan terlebih dahulu ukuran dimensi dari bahan yang akan dilakukan

pengujian sehingga mengetahui ukuran maksimal dan minimal dari

pengerjaannya. Dimensi benda kerja dibagi menjadi 4 jenis :

Tabel 1. Spesifikasi Benda Kerja

Batasan Pengerjaan

Pengerjaan Panjang Lebar Tebal Sudut

Datar Maksimal 450 225 15 0

Datar Minimal 180 150 10 0

Miring Maksimal 200 150 10 15

Miring Minimal 150 125 10 25

Setelah melakukan perhitungan menggunakan aplikasi Microsoft Excel,

diketahui nilai Fp dari tahap penempatan, pencekaman dan permesinan.

Pada benda kerja datar ukuran maksimal, datar ukuran minimal, miring ukuran

maksimal dan miring ukuran minimal, nilai fp pada tahap penempatan

menunjukkan positif yang artinya terjadi kontak pada benda kerja dan lokator.

Pada tahapan pencekaman.

Tabel 2. Perhitungan Permesinan Benda Kerja Datar Ukuran Maksimal

1

fp nx ny mz nz mx my

f1 0,00 295,91 295,91 0,00 295,91 0,00

f2 0,00 295,91 295,91 0,00 295,91 0,00

f3 591,82 0,00 591,82 0,00 0,00 591,82

f4 0,00 0,00 0,00 147,96 147,96 147,96

f5 0,00 0,00 0,00 147,96 147,96 147,96

f6 0,00 0,00 0,00 295,91 295,91 295,91

Tabel 3. Perhitungan Permesinan Benda Kerja Datar Ukuran Minimal

fp nx ny mz nz mx my

f1 0,00 295,91 295,91 0,00 295,91 0,00

f2 0,00 295,91 295,91 0,00 295,91 0,00

f3 591,82 0,00 591,82 0,00 0,00 591,82

f4 0,00 0,00 0,00 147,96 147,96 147,96

f5 0,00 0,00 0,00 147,96 147,96 147,96

f6 0,00 0,00 0,00 295,91 295,91 295,91

Tabel 4. Perhitungan Permesinan Benda Kerja Miring Ukuran Maksimal

fp nx ny mz nz mx my

f1 0,00 869,92 869,92 0,00 869,92 0,00

f2 0,00 869,92 869,92 0,00 869,92 0,00

f3 1739,85 0,00 1739,85 0,00 0,00 1739,85

f4 0,00 0,00 0,00 434,96 434,96 434,96

f5 0,00 0,00 0,00 434,96 434,96 434,96

f6 0,00 0,00 0,00 869,92 869,92 869,92

Tabel 5. Perhitungan Permesinan Benda Kerja Miring Ukuran Minimal

fp nx ny mz nz mx my

f1 0,00 869,92 869,92 0,00 869,92 0,00

f2 0,00 869,92 869,92 0,00 869,92 0,00

f3 1739,85 0,00 1739,85 0,00 0,00 1739,85

f4 0,00 0,00 0,00 434,96 434,96 434,96

f5 0,00 0,00 0,00 434,96 434,96 434,96

f6 0,00 0,00 0,00 869,92 869,92 869,92

Pada tahap permesinan, nilai f non negative yang artinya pada saat proses

permesinan, lokator dapat menahan benda kerja, diketahui nilai gaya kritis

pada saat proses permesinan pada benda kerja datar ukuran maksimal sebesar

591,82 N, benda kerja datar ukuran minimal sebesar 591,82 N, benda kerja

miring ukuran maksimal sebesar 1739,85 N dan benda kerja miring ukuran

minimal sebesar 1739,85 N.

1

3.3 Pengujian Kekuatan Bahan Rancangan

Dalam perhitungan kriteria Von Mises ini alat bantu dihitung apakah alat

tersebut aman saat digunakan atau tidak. Faktor keamanan adalah faktor yang

digunakan untuk melihat tingkat keamanan dari suatu komponen (Shigley dan

Mitchel, 1984: 11).

Pada pengujian, dilakukan dengan menggunakan gaya kritis atau

maksimal yang diterima oleh alat saat melakukan gaya Clamping. Dimana

gaya Clamping dapat dihitung menggunakan aplikasi Computer Aided

Manufacture (CAM) dari Solidworks HSMworks. Dimana dapat diketahui dari

tabel 6. dibawah ini.

Tabel 6. Perhitungan Gaya Clamping Untuk Pengujian

Number Fm

(cm/min)

Diamater

(mm)

Spidle

(rpm)

Clamping

Force (N)

1 11,304 3 1200 1739,845

Pengujian dilakukan dengan memberikan gaya kepada alat bantu sebesar

1739,845 N. dengan Yield Strenght dari masing masing material. Pengujian

dilakukan dengan menggunakan software solidwork simulation. Setelah

pengujian dilakukan langkah selanjutnya adalah menentukan faktor keamanan

dari setiap komponen dengan cara membagi Yield Strenght dengan gaya

maksimal, apabila hasil dari formulasi tersebut menunjukkan angka kurang

dari 1 maka dapat dikatakan bahwa benda tersebut telah luluh.

Gambar 3. Pengujian Bahan Basepin

1

Gambar 4. Pengujian Kekuatan Dudukan Toogle Clamp

Gambar 5. Pengujian Kekuatan Bahan Locator

Gambar 6. Pengujian Kekuatan Bahan Support

Setelah dilakukan analisa pada setiap komponen tersebut, diketahui faktor

keamana dari basepin sebesar1,07, dudukan toogle clamp sebesar 909,277,

lokator sebesar 16,826 dan support sebesar 1,494. Dimana nilai faktor

1

keamanan lebih dari 1 sehingga dapat disimpulkan bahwa benda tersebut dapat

menahan gaya clamping atau benda tersebut tidak luluh.

4. PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil perancangan dan pengujian Modular Jig and Fixture untuk

mesin Mini CNC Router dapat ditarik kesimpulan bahwa :

1) Proses benchmarking menghasilkan rancangan dari alat yang sudah

tersedia di pasar. Kemudian dikembangkan lagi agar fungsi teknis dapat

dipenuhi dalam mesin mini CNC .

2) Pada proses perancangan, alat juga dilakukan pengujian,baik itu

pengujian menggunakan Perhitungan Perancangan alat bantu maupun

dengan menggunakan Von mises yang tersedia di aplikasi Solidworks. Alat

dinyatakan “Aman” setelah dilakukan pengujian dengan menggunakan

Force sebesar 90 N dengan posisi penempatan, pencekaman dan permesinan

yang sudah tepat.

3) Proses pembuatan beberapa komponen seperti Lokator, Support dapat

dilakukan menggunakan Rapid Prototyping, sehingga dapat mempercepat

proses pembuatan dan menekan biaya pembuatan.

4) Berdasarkan kedua pengujian yang telah dilakukan pada rancangan

Modular Jig and Fixture Mini CNC Router , dapat dikatakan memenuhi

kriteria sehingga alat sudah siap dilanjutkan pad a proses pembuatan .

4.2 Saran

Setelah mampu menyelesaikan penelitian ini, diperoleh beberapa saran yang

bisa menjadi saran untuk penelitian selanjutnya :

1) Diharapkan kedepan, pengembangan dari alat ini tetap dilanjutkan,

terutama pada pemilihan material dari Modular jig and fixture seperti

mengganti bahan dari lokator menjadi besi, sehingga alat tersebut

diharapkan akan lebih kuat dalam mencengkram benda kerja.

2) Memperkecil alat bantu menjadi lebih kecil mengingat alat yang

dirancang memiliki ukuran yang terlalu dekat dengan batas allowance dari

mesin untuk ukuran pengerjaan benda.

1

DAFTAR PUSTAKA

Agus Dwi Anggono. (2018) . Teknologi CAD/CAM/CAE dan Rapid Prototyping

dalam Industri Manufaktur. Surakarta : Muhammadiyah University Press.

Bhandari, V.B. (1994). Design of Machine Elements. New Delhi: Tata

McGrawHill

Bidanda, B., and Muralikrishnan, C.K . (1992). “Flexible Fixturing for Intelligent

Manufacturing.” in Intelligent Design and Manufacturing, Kusiak, A.

(editor), John Wiley and Sons, Inc., New York, p. 205-231.

Bogetoft, P, Otto, L, & Springer Link. (2011). Benchmarking with DEA, SFA, and

R. New York : Springer.

Camp, Roberts. (1989). Benchmarking : The Search For Industry Best Practices

That Lead To Superior Performance, Florida: Productiviy Press.

Chou, Y.C, Chandru, V., and Barash, M.M., .(1989). “ A Mathematical Approach

to Automatic Configuration of Machining Fixtures: Analysis and

Synthesis. ” Journal of Engineering for Industry, Vol. 111, p. 299-306.

Edward. G. Hoffman .(1996). Jig and Fixture Design . Delmar Publishers, An

International Thomson Publishing Company.

Nee, A.Y., Whybrew K, and Kumar, S.A .(1995). Advanced Fixture Design for

FMS, Springer Verlag, London.

Siong, L.B., Imao, T., Yoshida, H., Goto, K., Koh, S.L., Lim, D., Chin, L., and

Gan, S.C., .(1992). “ Integrated Modular Fixture Design, Pricing and

Inventory Control Expert System. ” International Journal Production

Research, Vol. 30, No. 9, p. 2019-2044